第四講-MATLAB程序設計

MATLAB程序設計教學內(nèi)容M文件介紹函數(shù)流程控制函數(shù)變量調(diào)試程序優(yōu)化程序1M文件1.1M文件概述用MATLAB語言編寫的程序，稱為M文件。M文件可以根據(jù)調(diào)用方式的不同分為兩類：命令文件(ScriptFile)和函數(shù)文件(FunctionFile)。1.2M文件的建立與打開

M文件是一個文本文件，它可以用任何編輯程序來建立和編輯，而一般常用且最為方便的是使用MATLAB提供的文本編輯器。1．建立新的M文件

2．打開已有的M文件

函數(shù)式M文件比命令式M文件相對復雜一些，命令文件不需要自帶參數(shù)，也不一定返回結(jié)果，而函數(shù)文件一般要自帶參數(shù)，并且有返回結(jié)果，以便于更好的把整個程序連為一段。函數(shù)文件也可以不帶參數(shù)，此時文件中一般使用一些全局變量來實現(xiàn)與外界和其他函數(shù)之間的數(shù)據(jù)交換。函數(shù)文件的第一行以function開始，說明此文件是一個函數(shù)。其實質(zhì)為用戶向MATLAB函數(shù)庫中添加的子函數(shù)。在默認情況下，函數(shù)文件中的變量都是局部變量，僅在函數(shù)運行期間有效，函數(shù)運行結(jié)束后，這些變量將從工作區(qū)中清除。函數(shù)文件的基本結(jié)構(gòu)函數(shù)文件由function語句引導，其基本結(jié)構(gòu)為：

function輸出形參表=函數(shù)名(輸入形參表)

注釋說明部分函數(shù)體語句其中以function開頭的一行為引導行，表示該M文件是一個函數(shù)文件。函數(shù)名的命名規(guī)則與變量名相同。輸入形參為函數(shù)的輸入?yún)?shù)，輸出形參為函數(shù)的輸出參數(shù)。當輸出形參多于一個時，則應該用方括號括起來。例編寫函數(shù)文件求半徑為r的圓的面積和周長。函數(shù)文件如下：function[s,p]=fcircle(r)%CIRCLEcalculatetheareaandperimeterofacircleofradiir%r圓半徑%s圓面積%p圓周長s=pi*r*r;p=2*pi*r;

函數(shù)調(diào)用函數(shù)調(diào)用的一般格式是：

[輸出實參表]=函數(shù)名(輸入實參表)

要注意的是，函數(shù)調(diào)用時各實參出現(xiàn)的順序、個數(shù)，應與函數(shù)定義時形參的順序、個數(shù)一致，否則會出錯。函數(shù)調(diào)用時，先將實參傳遞給相應的形參，從而實現(xiàn)參數(shù)傳遞，然后再執(zhí)行函數(shù)的功能。

例利用函數(shù)文件，實現(xiàn)直角坐標(x,y)與極坐標(ρ,θ)之間的轉(zhuǎn)換。函數(shù)文件tran.m：function[rho,theta]=tran(x,y)rho=sqrt(x*x+y*y);theta=atan(y/x);

調(diào)用tran.m的命令文件main1.m：x=input('Pleaseinputx=:');y=input('Pleaseinputy=:');[rho,the]=tran(x,y);rhothe

例利用函數(shù)的遞歸調(diào)用，求n！。

n!本身就是以遞歸的形式定義的：顯然，求n!需要求(n-1)!，這時可采用遞歸調(diào)用。遞歸調(diào)用函數(shù)文件factor.m如下：functionf=factor(n)ifn<=1f=1;elsef=factor(n-1)*n;%遞歸調(diào)用求(n-1)!end在MATLAB中，函數(shù)可以嵌套調(diào)用，即一個函數(shù)可以調(diào)用別的函數(shù)，甚至調(diào)用它自身。一個函數(shù)調(diào)用它自身稱為函數(shù)的遞歸調(diào)用。例分別建立命令文件和函數(shù)文件，將華氏溫度f轉(zhuǎn)換為攝氏溫度c。程序1：首先建立命令文件并以文件名f2c.m存盤。clear;%清除工作空間中的變量f=input('InputFahrenheittemperature：');c=5*(f-32)/9然后在MATLAB的命令窗口中輸入f2c，將會執(zhí)行該命令文件，執(zhí)行情況為：InputFahrenheittemperature：73c=22.7778程序2：首先建立函數(shù)文件f2c.m。functionc=f2c(f)c=5*(f-32)/9然后在MATLAB的命令窗口調(diào)用該函數(shù)文件。clear;y=input('InputFahrenheittemperature：');x=f2c(y)輸出情況為：InputFahrenheittemperature：70c=21.1111x=21.11112、函數(shù)流程控制順序結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)循環(huán)語句1．數(shù)據(jù)的輸入從鍵盤輸入數(shù)據(jù)，則可以使用input函數(shù)來進行，該函數(shù)的調(diào)用格式為：

A=input(提示信息，選項)；其中提示信息為一個字符串，用于提示用戶輸入什么樣的數(shù)據(jù)。如果在input函數(shù)調(diào)用時采用's'選項，則允許用戶輸入一個字符串。例如，想輸入一個人的姓名，可采用命令：xm=input('What''syourname?','s');2.1順序結(jié)構(gòu)MATLAB提供的命令窗口輸出函數(shù)主要有disp函數(shù)，其調(diào)用格式為

disp(輸出項)其中輸出項既可以為字符串，也可以為矩陣。2．數(shù)據(jù)的輸出例輸入x,y的值，并將它們的值互換后輸出。程序如下：

x=input('Inputxplease.');y=input('Inputyplease.');z=x;x=y;y=z;disp(x);disp(y);例求一元二次方程ax2+bx+c=0的根。程序如下：a=input('a=?');b=input('b=?');c=input('c=?');d=b*b-4*a*c;x=[(-b+sqrt(d))/(2*a),(-b-sqrt(d))/(2*a)];disp(['x1=',num2str(x(1)),',x2=',num2str(x(2))]);暫停程序的執(zhí)行可以使用pause函數(shù)，其調(diào)用格式為：

pause(延遲秒數(shù))

如果省略延遲時間，直接使用pause，則將暫停程序，直到用戶按任一鍵后程序繼續(xù)執(zhí)行。若要強行中止程序的運行可使用Ctrl+C命令。3．程序的暫停1．if語句在MATLAB中，if語句有3種格式。

(1)單分支if語句：if條件語句組

end

當條件成立時，則執(zhí)行語句組，執(zhí)行完之后繼續(xù)執(zhí)行if語句的后繼語句，若條件不成立，則直接執(zhí)行if語句的后繼語句。2.2選擇結(jié)構(gòu)

(2)雙分支if語句：if條件語句組1else

語句組2end

當條件成立時，執(zhí)行語句組1，否則執(zhí)行語句組2，語句組1或語句組2執(zhí)行后，再執(zhí)行if語句的后繼語句。例計算分段函數(shù)的值。

程序如下：x=input('請輸入x的值:');ifx==10y=cos(x+1)+sqrt(x*x+1);elsey=x*sqrt(x+sqrt(x));enddisp(y);

(3)多分支if語句：if條件1

語句組1elseif條件2

語句組2……elseif條件m

語句組melse

語句組nend語句用于實現(xiàn)多分支選擇結(jié)構(gòu)。例輸入一個字符，若為大寫字母，則輸出其對應的小寫字母；若為小寫字母，則輸出其對應的大寫字母；若為數(shù)字字符則輸出其對應的數(shù)值，若為其他字符則原樣輸出。c=input('請輸入一個字符','s');ifc>='A'&c<='Z'disp(setstr(abs(c)+abs('a')-abs('A')));elseifc>='a'&c<='z'disp(setstr(abs(c)-abs('a')+abs('A')));elseifc>='0'&c<='9'disp(abs(c)-abs('0'));elsedisp(c);end2．switch語句

switch語句根據(jù)表達式的取值不同，分別執(zhí)行不同的語句，其語句格式為：

switch表達式

case表達式1

語句組1case表達式2

語句組2……case表達式m

語句組motherwise

語句組nend當表達式的值等于表達式1的值時，執(zhí)行語句組1，當表達式的值等于表達式2的值時，執(zhí)行語句組2，…，當表達式的值等于表達式m的值時，執(zhí)行語句組m，當表達式的值不等于case所列的表達式的值時，執(zhí)行語句組n。當任意一個分支的語句執(zhí)行完后，直接執(zhí)行switch語句的下一句。例根據(jù)變量num的值來決定顯示的內(nèi)容.num=input('請輸入一個數(shù)');switchnumcase-1disp('Iamateacher.');case0disp('Iamastudent.');case1disp('Youareateacher.');otherwisedisp('Youareastudent.');end3．try語句語句格式為：try

語句組1catch

語句組2endtry語句先試探性執(zhí)行語句組1，如果語句組1在執(zhí)行過程中出現(xiàn)錯誤，則將錯誤信息賦給保留的lasterr變量，并轉(zhuǎn)去執(zhí)行語句組2。例矩陣乘法運算要求兩矩陣的維數(shù)相容，否則會出錯。先求兩矩陣的乘積，若出錯，則自動轉(zhuǎn)去求兩矩陣的點乘。程序如下：A=[1,2,3;4,5,6];B=[7,8,9;10,11,12];tryC=A*B;catchC=A.*B;enddisp(C);disp(lasterr);%顯示出錯原因運行結(jié)果如下：

71627405572Errorusing==>mtimesInnermatrixdimensionsmustagree.1．for語句for語句的格式為：for循環(huán)變量=表達式1:表達式2:表達式3

循環(huán)體語句

end其中表達式1的值為循環(huán)變量的初值，表達式2的值為步長，表達式3的值為循環(huán)變量的終值。步長為1時，表達式2可以省略。2.3循環(huán)結(jié)構(gòu)例一個三位整數(shù)各位數(shù)字的立方和等于該數(shù)本身則稱該數(shù)為水仙花數(shù)。輸出全部水仙花數(shù)。程序如下：form=100:999m1=fix(m/100);%求m的百位數(shù)字m2=rem(fix(m/10),10);%求m的十位數(shù)字m3=rem(m,10);%求m的個位數(shù)字ifm==m1*m1*m1+m2*m2*m2+m3*m3*m3disp(m)endendfor語句更一般的格式為：

for循環(huán)變量=矩陣表達式循環(huán)體語句

end

執(zhí)行過程是依次將矩陣的各列元素賦給循環(huán)變量，然后執(zhí)行循環(huán)體語句，直至各列元素處理完畢。例寫出下列程序的執(zhí)行結(jié)果。

s=0;a=[12,13,14;15,16,17;18,19,20;21,22,23];fork=as=s+k;enddisp(s');程序運行結(jié)果為：39485766即分別求出矩陣每行元素之和。2．while語句

while語句的一般格式為：

while(條件)

循環(huán)體語句

end

其執(zhí)行過程為：若條件成立，則執(zhí)行循環(huán)體語句，執(zhí)行后再判斷條件是否成立，如果不成立則跳出循環(huán)。

例從鍵盤輸入若干個數(shù)，當輸入0時結(jié)束輸入，求這些數(shù)的平均值和它們之和。程序如下：sum=0;cnt=0;val=input('Enteranumber(endin0):');while(val~=0)sum=sum+val;cnt=cnt+1;val=input('Enteranumber(endin0):');endif(cnt>0)summean=sum/cntend3．break語句和continue語句與循環(huán)結(jié)構(gòu)相關的語句還有break語句和continue語句。它們一般與if語句配合使用。break語句用于終止循環(huán)的執(zhí)行。當在循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行到該語句時，程序?qū)⑻鲅h(huán)，繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)語句的下一語句。continue語句控制跳過循環(huán)體中的某些語句。當在循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行到該語句時，程序?qū)⑻^循環(huán)體中所有剩下的語句，繼續(xù)下一次循環(huán)。例求[100，200]之間第一個能被21整除的整數(shù)。程序如下：forn=100:200ifrem(n,21)~=0continueendbreakenddisp(n)4．循環(huán)的嵌套如果一個循環(huán)結(jié)構(gòu)的循環(huán)體又包括一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，就稱為循環(huán)的嵌套，或稱為多重循環(huán)結(jié)構(gòu)。例3-13若一個數(shù)等于它的各個真因子之和，則稱該數(shù)為完數(shù)，如6=1+2+3，所以6是完數(shù)。求[1,500]之間的全部完數(shù)。form=1:500s=0;fork=1:m/2ifrem(m,k)==0s=s+k;endendifm==sdisp(m);endend3.函數(shù)變量局部變量全局變量永久變量局部變量每個函數(shù)都有自己的局部變量，這些變量存儲在該函數(shù)獨立的工作區(qū)中，與其他函數(shù)的變量及主工作區(qū)中的變量分開存儲。當函數(shù)調(diào)用結(jié)束時，這些變量隨之刪除，不保存在內(nèi)存中。并且，除了函數(shù)返回值，該函數(shù)不改變工作區(qū)中其他變量的值。然而命令文件沒有獨立的工作區(qū)，當通過命令窗口調(diào)用命令文件時，命令文件分享主工作區(qū)，當函數(shù)調(diào)用命令文件時，命令文件分享主調(diào)函數(shù)的工作區(qū)。需要注意的是，如果命令文件中改變了工作區(qū)中變量的值，則在命令文件調(diào)用結(jié)束后，該變量的值發(fā)生改變。在函數(shù)中，變量默認為局部變量。全局變量局部變量只在一個工作區(qū)內(nèi)有效，無論是函數(shù)工作區(qū)還是MATLAB主工作區(qū)。與局部變量不同，全局變量可以在定義該變量的全部工作區(qū)中有效。當在一個工作區(qū)內(nèi)改變該變量的值時，該變量在其他工作區(qū)中的變量同時改變。任何函數(shù)如果需要使用全局變量，則必須首先聲明，聲明格式為：global變量名1變量名2如果一個M文件中包含的子函數(shù)需要訪問全局變量，則需在子函數(shù)中聲明該變量，如果需要在命令行中訪問該變量，則需在命令行中聲明該變量。例全局變量應用示例。先建立函數(shù)文件wadd.m，該函數(shù)將輸入的參數(shù)加權(quán)相加。functionf=wadd(x,y)globalALPHABETAf=ALPHA*x+BETA*y;

在命令窗口中輸入：globalALPHABETAALPHA=1;BETA=2;s=wadd(1,2)永久變量除局部變量和全局變量外，MATLAB中還有一種變量類型為永久變量。永久變量的特點為：只能在M文件內(nèi)部定義；只有該變量從屬的函數(shù)能夠訪問該變量；當函數(shù)運行結(jié)束時，該變量的值保留在內(nèi)存中，因此當該函數(shù)再次被調(diào)用時，可以再次利用這些變量。永久變量的定義方法為：persistent變量名1變量名2。

程序的調(diào)用(1)主函數(shù)(2)子函數(shù)(3)局部函數(shù)

M文件中的第一個函數(shù)就叫做主函數(shù)，前邊章節(jié)中所引用的函數(shù)事實上都是主函數(shù)，主函數(shù)之后可以是任意數(shù)量的子函數(shù)，它們可以作為主程序的子程序.一般來說，在命令窗口或是其他的M文件只能調(diào)用主函數(shù)，調(diào)用的時候就是直接調(diào)用其函數(shù)名.主函數(shù)比如，函數(shù)average的M文件average.m如下：functiony=average(x)%AVERAGEMeanofvectorelements.y=sum(x)/length(x);%Actualcomputation子函數(shù)

與其他的高級語言一樣，在MATLAB7語言中也可以很方便地定義子函數(shù)，用來擴充函數(shù)的功能。在函數(shù)文件中題頭定義的函數(shù)為主函數(shù)，而在函數(shù)體內(nèi)定義的其他函數(shù)都被視為子函數(shù)。子函數(shù)只能為主函數(shù)或同一主函數(shù)下的其他子函數(shù)所使用。(必須和相應的主函數(shù)放到同一目錄下！)例利用函數(shù)的遞歸調(diào)用，求n！.n!本身就是以遞歸的形式定義的：顯然，求n!需要求(n-1)!，這時可采用遞歸調(diào)用.遞歸調(diào)用函數(shù)文件factor.m如下：functionf=factor(n)ifn<=1f=1;elsef=factor(n-1)*n;%遞歸調(diào)用求(n-1)!end局部函數(shù)

MATLAB7語言中把放置在目錄private下的函數(shù)稱為局部函數(shù)，這些函數(shù)只有private目錄的父目錄中的函數(shù)才可以調(diào)用，其他目錄下的函數(shù)不能調(diào)用.

局部函數(shù)與子函數(shù)所不同的是，局部函數(shù)可以被其父目錄下的所有函數(shù)所調(diào)用，而子函數(shù)則只能被其所在的M文件的主函數(shù)所調(diào)用.所以，局部函數(shù)在可用的范圍上大于子函數(shù)；在函數(shù)編輯的結(jié)構(gòu)上，局部函數(shù)與一般的函數(shù)文件的編輯相同，而子函數(shù)只能在主函數(shù)文件中編輯.為防止程序調(diào)用出錯！調(diào)用MATLAB工具箱的程序的自編程序必須放到默認的work工作路徑當中.

課件中的程序如果直接拷貝到MATLAB中，部分不能直接運行，注意英文字符和漢語字符的區(qū)別！4.調(diào)試程序直接調(diào)試法利用調(diào)試工具采用命令行調(diào)試程序采用調(diào)試界面調(diào)試程序程序調(diào)試概述一般來說，應用程序的錯誤有兩類，一類是語法錯誤，另一類是運行時的錯誤。語法錯誤包括詞法或文法的錯誤，例如函數(shù)名的拼寫錯、表達式書寫錯等。程序運行時的錯誤是指程序的運行結(jié)果有錯誤，這類錯誤也稱為程序邏輯錯誤。直接調(diào)試法MATLAB語言具有強大的運算能力，指令系統(tǒng)簡單，因此程序通常非常簡潔。對于簡單的程序可以采用直接調(diào)試的方法。在程序調(diào)試時，程序運行中變量的值為一個重要的線索。因此，查看變量值為程序調(diào)試的重要線索，由于在函數(shù)調(diào)用時只返回最后的輸出參數(shù)，而不返回中間變量，因此，可以選擇下面的方法查看程序運行中的變量值。（1）通過分析后，將可能出錯的語句后面的分號（;）刪除，將結(jié)果顯示在命令窗口中，與預期值進行比較；（2）利用函數(shù)disp顯示中間變量的值；（3）在程序中的適當位置添加keyboard指令。當MATLAB執(zhí)行至此處時將暫停，等待用戶反應。當程序運行至此時將暫停，在命令窗口中顯示k>>提示符，用戶可以查看工作區(qū)中的變量，可以改變變量的值。輸入return指定返回程序，繼續(xù)運行。（4）在調(diào)試一個單獨的函數(shù)時，可以將函數(shù)改寫為腳本文件，此時可以直接對輸入?yún)?shù)賦值，然后以腳本方式運行該M文件，這樣可以保存中間變量，在運行完成后，可以查看中間變量的值，對結(jié)果進行分析，查找錯誤所在。采用命令行調(diào)試程序函數(shù)功能dbstop設置斷點dbclear刪除斷點dbcont重新開始dbdown恢復由dbup修改的變量值dbmex啟動MEX文件調(diào)試dbstack列出調(diào)用關系dbstatus列出所有的斷點dbstep執(zhí)行一行或多行dbtype列出M文件并標出每行dbup修改工作區(qū)中變量的值dbquit退出調(diào)試模式函數(shù)功能echo顯示執(zhí)行的腳本或函數(shù)代碼disp顯示指定變量的值或者其他信息sprintf，fprintf格式化輸出不同類型的變量whos查看工作區(qū)中的變量size顯示數(shù)組維數(shù)keyboard中斷程序執(zhí)行，將控制權(quán)交給鍵盤，允許鍵盤輸入return在keyboard中斷后繼續(xù)返回程序執(zhí)行warning顯示指定的警告消息error顯示指定的錯誤消息lasterr返回最后一條錯誤消息lasterror返回最后一條錯誤消息及相關信息lastwarn返回最后一條警告消息文本編輯器中的Debug菜單提供了全部的調(diào)試選項，另外，MATLAB主窗口中的Debug菜單提供了一些調(diào)試命令，方便調(diào)試時在命令窗口中查看運行狀態(tài)。調(diào)試選項及其功能如表所示。選項功能對應快捷鍵OpenM-fileswhenDebbuging選擇該選項則在調(diào)試打開M文件無Step下一步F10StepIn進入被調(diào)用函數(shù)內(nèi)部F11StepOut跳出當前函數(shù)Shift+F11Continue執(zhí)行，直至下一斷點F5GountilCursor執(zhí)行至當前光標處無Set/ClearBreakpoint設置或刪除斷點F12Set/ModifyConditionalBreakpoint…設置或修改條件斷點無Enable/DisableBreakpoin